Spruzzatura cinetica
La Russia ha proposto una tecnica avanzata di -spruzzatura cinetica-per migliorare le prestazioni delle superfici alettate. L'essenza di questo metodo risiede nell'utilizzo di un flusso ad alta velocità di fluido carico di particelle freddo o leggermente riscaldato per depositare le particelle di polvere sulla superficie dell'aletta. Questa tecnica consente la deposizione non solo di metalli ma anche di leghe e ceramiche (o cermet), ottenendo così superfici con una vasta gamma di proprietà. In pratica, la resistenza di contatto alla base dell'aletta è spesso uno dei fattori limitanti quando si collegano le alette ai tubi dello scambiatore di calore. Per valutare le prestazioni dei componenti degli scambiatori di calore a tubi alettati-, è stato condotto uno studio sperimentale. Gli esperimenti prevedevano la spruzzatura cinetica di un rivestimento a base di Al- sulle superfici delle alette, con l'aggiunta di allumina fusa bianca 24A. Elaborando e analizzando i dati sperimentali risultanti, è stato possibile valutare la resistenza di contatto alla base della pinna. Un confronto tra l'efficienza misurata delle alette e i valori teorici calcolati ha portato alla conclusione che la resistenza di contatto alla base delle alette spruzzate cineticamente non ha un impatto sostanziale sull'efficienza complessiva. Per convalidare questo risultato, è stata eseguita un'analisi metallografica sulla zona di transizione tra il substrato (il tubo) e il rivestimento (l'aletta). L'analisi dei campioni prelevati da questa zona di transizione ha rivelato l'assenza di micro-fessure o discontinuità lungo l'intera lunghezza dell'interfaccia di incollaggio. Di conseguenza, il metodo di spruzzatura cinetica facilita la formazione di un'interfaccia ramificata caratterizzata da una forte interazione superficie-substrato; promuove la penetrazione delle particelle di polvere nel substrato, spiegando così l'elevata forza di adesione osservata, l'instaurazione di un contatto fisico e la formazione di legami metallici. Pertanto, il metodo di spruzzatura cinetica può essere utilizzato non solo per la fabbricazione diretta di alette, ma anche per fissare le alette-prodotte tramite metodi convenzionali-alle superfici dei tubi degli scambiatori di calore, nonché per rinforzare le basi delle alette standard. Si prevede che il metodo di spruzzatura cinetica troverà ampia applicazione nella produzione di scambiatori di calore compatti e ad alta-efficienza.
Deflettori elicoidali
Negli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-, il flusso lato mantello-rappresenta spesso un collo di bottiglia critico per le prestazioni. Tipicamente, i deflettori segmentali convenzionali creano un percorso di flusso tortuoso (uno schema a "zigzag"), che porta alla formazione di zone morte significative e livelli relativamente elevati di rimescolamento-. Queste zone morte, a loro volta, aggravano le incrostazioni sul lato del mantello, influenzando negativamente l’efficienza del trasferimento di calore. Inoltre, la retromiscelazione-può distorcere e diminuire l'effettiva differenza di temperatura media. Di conseguenza, rispetto a un regime di flusso a pistone ideale, l'uso di deflettori segmentati porta a una riduzione delle prestazioni nette di trasferimento di calore. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-convenzionali che utilizzano deflettori segmentati spesso hanno difficoltà a soddisfare le richieste di elevata efficienza termica; di conseguenza, vengono spesso soppiantati da altri tipi di scambiatori di calore (come gli scambiatori di calore a piastre compatte). Il miglioramento della geometria dei baffle standard rappresenta il passo iniziale nell'ottimizzazione delle prestazioni lato guscio-. Sebbene siano state implementate misure come l'introduzione di strisce di tenuta, l'aggiunta di deflettori di deflessione e altre modifiche per migliorare le prestazioni dello scambiatore di calore, persistono gli inconvenienti fondamentali inerenti ai design dei deflettori standard. In risposta a questa sfida, negli Stati Uniti è stata proposta una nuova soluzione: l’adozione di deflettori elicoidali. La superiorità tecnica di questo progetto è stata confermata sia da studi di fluidodinamica che da risultati sperimentali sul trasferimento di calore, e al progetto è stata successivamente concessa la protezione brevettuale. Questa configurazione strutturale supera efficacemente le principali limitazioni associate ai deflettori convenzionali. Il principio di progettazione alla base dei deflettori elicoidali è semplice: piastre appositamente realizzate con una sezione trasversale circolare-sono installate all'interno di un "sistema di deflettori quasi elicoidali". Ciascuna piastra deflettore occupa un-quarto dell'area della sezione trasversale-all'interno del lato dell'involucro dello scambiatore di calore ed è angolata verso l'asse centrale dello scambiatore di calore-ovvero mantiene un'inclinazione specifica rispetto all'asse. Le piastre deflettori adiacenti si incontrano alle loro zone periferiche, formando uno schema elicoidale continuo lungo la circonferenza esterna. Sovrapponendo assialmente le piastre deflettori-una tecnica che serve anche a ridurre la luce non supportata dei tubi-è possibile ottenere una configurazione di design a "doppia-elica". La struttura del deflettore elicoidale è in grado di adattarsi ad uno spettro relativamente ampio di condizioni di processo. Questo design offre una notevole flessibilità, consentendo la selezione di un angolo elicoidale ottimale su misura per condizioni operative specifiche; inoltre, a seconda della particolare applicazione, si può scegliere tra una configurazione a deflettori sovrapposti o una struttura a deflettori a doppia-elica.
Tubi ritorti
Si riferisce a un tipo di scambiatore di calore a-tubo piatto, comunemente noto come "scambiatore di calore a tubo-ritorto". Il processo di fabbricazione di questi tubi piatti elicoidali prevede due fasi distinte: "appiattimento" e "torsione a caldo". Lo scambiatore di calore a tubi ritorti-migliorato conserva la semplicità strutturale dei tradizionali scambiatori a fascio tubiero-e-offrendo allo stesso tempo una serie di interessanti miglioramenti. Offre i seguenti vantaggi tecnici ed economici: maggiore efficienza del trasferimento di calore, ridotto potenziale di incrostazione, flusso in controcorrente reale, costi di produzione inferiori, funzionamento senza vibrazioni, risparmio di spazio ed eliminazione dei componenti del deflettore interno. Grazie alla geometria unica dei tubi, sia il lato del tubo-che quello del lato mantello-vengono contemporaneamente indotti in uno schema di flusso elicoidale, favorendo così in modo significativo la turbolenza del fluido. Di conseguenza, il coefficiente di scambio termico complessivo di questo scambiatore è superiore di circa il 40% rispetto a quello degli scambiatori di calore convenzionali, mentre la caduta di pressione associata rimane quasi equivalente. Quando si assembla lo scambiatore di calore, può essere impiegata una configurazione ibrida che utilizza sia tubi piatti a spirale che tubi lisci. Questo scambiatore di calore è prodotto nel rigoroso rispetto degli standard ASME. Serve come valido sostituto degli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-convenzionali e dei tradizionali apparecchi per il trasferimento di calore praticamente in qualsiasi applicazione in cui tali apparecchiature sono attualmente utilizzate. È in grado di raggiungere parametri prestazionali-nello specifico, coefficienti di trasferimento di calore ottimali-che equivalgono o superano i migliori valori ottenibili dagli scambiatori standard a fascio tubiero-e-a tubi e dalle apparecchiature di trasferimento di calore a piastre-e-a telaio. Di conseguenza, si prevede che avrà ampie e promettenti prospettive di applicazione nell’industria chimica e petrolchimica.
Tipo di tubo-a spirale
Gli scambiatori di calore con tubi a spirale- (designati come "TA") sono generalmente dotati di fili metallici avvolti attorno ai tubi che fungono da nervature (alette). Tradizionalmente questi fili metallici vengono fissati ai tubi mediante tecniche di saldatura. Tuttavia, questo metodo introduce una serie di effetti negativi sulla qualità complessiva e sulle prestazioni dell'apparecchiatura, in quanto il processo di brasatura inevitabilmente “sottra”-o rende inefficace-una porzione significativa della superficie sia dei tubi che dei fili, riducendo così l'area effettiva di scambio termico. Ancora più critico, il rapido invecchiamento e la successiva frammentazione del materiale di saldatura possono portare a blocchi all'interno dei macchinari e delle apparecchiature, con conseguenti guasti prematuri e la necessità di una sostituzione anticipata.
Pressurizzazione a velocità-sonica-variabile
Lo scambiatore di calore a pressurizzazione a velocità variabile-sonico-a velocità-noto anche come scambiatore di calore a getto di flusso a due fasi-a due fasi-è ampiamente applicabile in vari campi che coinvolgono lo scambio di calore tra vapore-e-acqua. Utilizzando il vapore come forza motrice, il dispositivo raggiunge un aumento istantaneo della temperatura dell'acqua attraverso un processo di miscelazione compressiva del vapore-acqua. Sfruttando la tecnologia delle onde d'urto, si ottiene un effetto di pressurizzazione senza la necessità di energia meccanica esterna. Le sue notevoli capacità di-risparmio energetico e di aumento della pressione-riducono significativamente i costi operativi per gli utenti, rendendolo un sostituto ideale degli scambiatori di calore tradizionali. Lo scambiatore di calore a pressurizzazione a velocità variabile-Sonic-velocità funziona come un dispositivo di scambio di calore di tipo ibrido-vapore-con-acqua. Il vapore subisce un'espansione adiabatica e viene introdotto come un getto ad alta-velocità in una camera di miscelazione, dove si fonde uniformemente-sotto la forza del getto di vapore-con l'acqua da riscaldare (che ha subito un preventivo trattamento filmogeno-). Questo processo genera una miscela compressiva di vapore-acqua caratterizzata da uno specifico rapporto volumetrico calcolato. Quando la densità di compressione istantanea di questa miscela raggiunge una soglia critica, si stabilisce un distinto fenomeno del campo fluido a due fasi. Sotto la dinamica intensificata di questo campo fluido, la velocità sonora della miscela subisce uno spostamento transitorio, sfondando la soglia della "barriera sonica"; contemporaneamente vengono generate una moltitudine di onde d'urto di pressione. La caratteristica di propagazione unidirezionale di queste onde d'urto di pressione garantisce che l'acqua riscaldata-avendo raggiunto istantaneamente la temperatura di progetto-subisce un aumento di pressione all'interno della tubazione a sezione trasversale-costante-senza mostrare alcun riflusso. In sostanza, la tecnologia Variable-Sonic-Velocity Pressurization Heat Exchange raggiunge un duplice effetto-simultaneo "scambio di calore istantaneo più pressurizzazione esterna-senza alimentazione-esente"-orchestrando l'intensificazione controllata della dinamica del campo fluido a due fasi.